pro_e有限元分析浅析

1. Pro/MECHANICA 简介 Pro/MECHANICA 是美国 PTC 开发的有限元软件。该软件可以实现和 Pro/ENGINEER 的完全无缝集成。绝大部分有限元分析软件的几何建模功能比较 弱，这些有限元软件通常通过 IGES 格式或者 STEP 格式进行数据交换，而这样 做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进 行几何模型的修补工作。使用 Pro/MECHANICA 恰好可以克服这一点，该软件可 以直接利用 Pro/ENGINEER 的几何模型进行有限元分析。 Pro/MECHANICA 是基于 P 方法进行工作的。它采用适应性 P-method 技术， 在不改变单元网格划分的情况下，靠增加单元内的插值多项式的阶数来达到设定 的收敛精度。理论上，插值多项式的阶数可以很高，但在实际工作中，往往将多 项式的最高阶数限制在 9 以内。如果插值多项式的阶数超过 9 仍然没有收敛，这 时可以增加网格的密度，降低多项式的阶数，加快计算速度。利用 P 方法进行分 析，降低了对网格划分质量的要求和限制，系统可以自动收敛求解。 P-method 能够比较精确地拟合几何形状，能够消除表面上的微小凹面。这种 单元的应力变形方程为多项式方程，最高阶次能够达到九阶。这意味着这种单元 可以非常精确地拟合大应力梯度。Pro/MECHANICA 中四面体单元的计算结果比 其他传统有限元程序中四面体的计算结果要好得多。首先单元以较低的阶次进行 初步计算，然后在应力梯度比较大的地方和计算精度要求比较高的地方自动地提 高单元应力方程的阶次，从而保证计算的精确度和效率。 2. Pro/MECHANICA 工作模式： 1）FEM 模式： FEM 模式没有求解器，只能完成对模型的网格划分、边界约 束、载荷、理性化等前处理工作、然后借助第三方软件完成计算分析。 2）集成模式：用户可以在 Pro/ENGINEER 中建立几何模型，然后进入 Pro/MECHANICA 模块中，定义载荷及边界条件，进行分析研究。应用较多的还 是集成模式。 3. Pro/MECHANICA 三个模块: 1) Pro/MECHANICA STRUCTURE：结构分析软件包，可以进行零件模型和 装配模型的结构分析和优化分析。具有的分析类型有: 静态分析、模态分析、屈曲 分析、接触分析、预紧分析及振动分析等。 Pro/ENGINEER 分析 2 2 ) Pro/MECHANICA THERMAL：温度分析模块，可以进行零件和装配模型 的稳态和瞬态温度分析，也可以根据温度问题进行灵敏度分析和优化设计。 3 ) ProIMECHANICA MOTIQN：运动分析软件包，进行机构分析和机构运动 优化设计，可以进行三维静态分析、运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析 及干涉检验分析。 4. Pro/MECHANICA 有限元分析的基本步骤: 1)建立几何模型:在 Pro/ENGINEER 中创建几何模型。 2)识别模型类型:将几何模型由 Pro/ENGINEER 导入 Pro/MECHANICA 中， 此步需要用户确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。我们为了减小模型 规模、提高计算速度，一般用面的形式建模。 3)定义模型的材料物性。包括材料、质量密度、弹性模量、泊松比等 4)定义模型的载荷。 5)定义模型的约束。 6)有限元网格的划分：由 Pro/MECHANICA 中的 Auto GEM(自动网格划分器)工 具完成有限元网格的自动划分。 7)定义分析任务，运行分析。 8)根据设计变量计算需要的项目。 9)图形显示计算结果。 5. Pro/MECHANICA STRUCTURE 基本分析过程 1.在 Pro/ENGINEER 模块中完成结构几何模型后，单击“应用程序” “Mechanica ”,弹出下图所示窗口，启用 Mechanica structure。 2.添加材料属性 Pro/ENGINEER 分析 3 单击“材料 ” ，进入下图对话框，选取“More”进入材料库，选取材料 3.定义载荷 1） 加载集中力或力矩，点击 ，出现 Pro/ENGINEER 分析 4 Name 基本载荷工况名称 Number of Set 载荷集名称 Reference 施加载荷时的参照，可以是 surfaces、edges/curves、points Properties 选择坐标系，默认为全局坐标系 Advanced 点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式，可以加 载载荷总值，也可以在每单位面积或点上加载；载荷的大小可以用 函数来控制，使得载荷的施加非常方便。 2） 加载分布力，点击 ，出现 Name 基本载荷工况名称 Number of Set 载荷集名称 Reference 施加载荷时的参照，只能选择 surface Advanced 点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式。可以均 匀加载，可以用函数加载，也可以通过外部.fnf 格式的文件加载 3） 加载重力载荷，点击 ，出现下图对话框， Pro/ENGINEER 分析 5 Name 重力载荷名称 Number of Set 载荷集名称 Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系 Acceleration 定义重力加速度方向及大小 4.定义约束 1） ：位移约束 点击 ，出现下图所示对话框， Pro/ENGINEER 分析 6 Name 约束名称 Number of Set 约束集名称 Reference 施加约束时的参照，可以是 surfaces、edges/curves、points 等 Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系 Translation 平动约束 Rotation 旋转约束 2） ：对称约束 点击 ，出现下图所示对话框， Name 约束名称 Number of Set 约束集名称 Type 约束类型有镜像和循环对称两种类型 4.定义 idealizations 1） ：壳单元 点击 ，弹出下图所示窗口， Pro/ENGINEER 分析 7 Name 壳单元名称 Type 简单和高级两种类型，高级中可以定义材料方向 Reference 定义壳单元时的参照 2） ：梁 点击 ，弹出下图所示窗口 Pro/ENGINEER 分析 8 Name 梁单元名称 Type 默认为梁单元 Reference 定义壳单元时的参照 Materials 梁单元的材料 Properties 定义梁单元的 Y 轴方向 5.定义连接形式 1） ：连接形式 点击 ，出现下图所示窗口 Name 连接形式名称 Type 连接类型有固结、自由、接触 Reference 定义连接时的参照，可以是面和面之间连接，也可以 是零件和零件之间连接 2） ：刚性区域 点击 ，弹出下图所示窗口， 刚性区域可以模拟铰轴连接，代替 ALGOR、ANSYS 中杆梁组合模拟铰轴的 形式。 Pro/ENGINEER 分析 9 6.定义分析 前处理部分完成后，点击 ，弹出下图所示窗口， 可以定义静力、模态、屈曲、疲劳、预紧力以及动态分析等等。 定义完分析类型后，点击 即可进行分析，在分析之前也可以点击 ， 预先生成网格，通过“自动几何”“控制”菜单，对生成的单元类型及大小进 行调整。 7.结果查看 Pro/ENGINEER 分析 10 当分析完成后，点击 ，弹出下图所示窗口， Pro/ENGINEER 分析 11 6. 简单算例 6.1 接触算例 1.设置工作目录为盘符：tempexample1 。 2.打开零件模型 example1.asm，如下图所示 图 6.1 3.设置模型单位 点击主菜单“编辑”“设置” ，弹出图 6.2 所示菜单管理器，点击其中的 “单位” ，弹出图 6.3 所示单位管理器，计算分析时一般将单位设置为毫米牛顿秒， 若单位需变换，可点击右侧“设置”按钮，弹出图 6.4 所示改变模型单位对话框， 选择“转换尺寸”单选框即可。 Pro/ENGINEER 分析 12 图 6.2 图 6.3 图 6.4 4.进入分析程序 点击主菜单“应用程序”“Mechanica” ，图 6.5 所示，弹出图 6.6 所示 unit info 窗口，单位确认无误后点击“Continue” ，选择模型类型为 Structure 即进入分 析程序。 图 6.5 Pro/ENGINEER 分析 13 图 6.6 5.定义模型材料 点击主菜单“属性”“材料” ，图 6.7 所示，弹出图 6.8 所示材料对话框， 选择材料，双击或点击 即可添加到“模型中的材料”一栏，右键点击已选择 的材料，可以编辑材料的物性。点击主菜单“属性”“材料分配” ，图 6.9 所 示，弹出图 6.10Material Assignment 窗口，将 example1.asm 选中，即分配完 材料。 图 6.7 图 6.8 Pro/ENGINEER 分析 14 图 6.9 图 6.10 6.定义约束 点击主菜单“插入”“位移约束” ，图 6.11 所示，弹出图 6.12 所示 constraint 对话框，选择两个底面进行全约束。 图 6.11 Pro/ENGINEER 分析 15 图 6.12 7.定义连接关系 点击右侧快捷菜单 ，弹出图 6.13 所示对话框，类型选择接触，参照选择 Component-Component，接触距离小于等于 1mm，平面夹角小于等于 5 度。 图 6.13 8.定义刚性区域 Pro/ENGINEER 分析 16 在距离轴端面 100mm 处，定义一基准点 PNT0。点击右侧快捷菜单 ，弹 出图 6.14 所示 Rigid Link Definition 窗口，选择轴端面及 PNT0 定义为刚性区域。 图 6.14 9.定义面域 此节内容自己练习。 10.定义载荷 (1)自重载荷 点击主菜单“插入”“重力负荷” ，图 6.15 所示，弹出图 6.16 所示 Gravity Load 窗口，参照全局坐标系，定义 Z 向 9800 。2secm 图 6.15 图 6.16 Pro/ENGINEER 分析 17 （2）定义集中力 点击主菜单“插入”“力/力矩负荷”,图 6.17 所示，弹出图 6.18 所示 Force/Moment Load 窗口，参照全局坐标系，定义载荷方向及大小。 图 6.17 图 6.18 （3）定义扭矩 同（2）的定义方式相同，只是在 Moment 栏定义载荷即可。 11.定义分析 上面我们已经建立起了有限元计算所需要的几何模型、材料、约束以及载荷 边界条件，点击主菜单“分析”“Mechanica 分析 /研究”,图 6.19 所示，弹出图 6.20Analyses and Design Studies 窗口。 点击“File”下的“New Static”，弹出图 6.21Static Analysis Definition 窗口， 选中上述定义的载荷集和约束集。在名称中输入 example1，图 6.22 所示。 Pro/ENGINEER 分析 18 图 6.19 图 6.20 图 6.21 图 6.22 Pro/ENGINEER 分析 19 定义完静力分析后，选择图 6.22“Run”“Setting ”进行分析运行时的各 项设置，包括文件的存放路径以及分配的内存数量等， （或者直接单击 命令图 标） ，进行上述的设置，如图 6.23 所示。 图 6.23 12.运行分析 点击图 6.22 中的 ，开始分析计算。分析任务开始执行，屏幕会闪动几次， 最终会在信息栏中出现“The design study has started.”消息。接下来 Pro/MECHANIC 进行自动网格划分、建立方程、求解方程等一系列工作，这些工 作是在后台进行的，对用户不可见；不过用户可以通过选择 Info|Status（或者 单击 图标） ，查看运算过程信息。当信息中显示计算完毕（Run Completed）后 单击“完成”按钮关闭对话框。 13.查看分析结果 （1）直接点击图 6.22 中的 图标，弹出图 6.24 所示窗口， “Display Type”“Fringe”即以云图形式显示结果， “Quantity”“Displacement”查看 变形，在“Display Options”中勾选“Deformed” ，点击“OK and Show”即可显 示位移结果，图 6.25 所示。 Pro/ENGINEER 分析 20 图 6.24 图 6.25 （2）应力结果 选择图 6.24 中“Quantity”“Stress”查看应力结果，默认为 Von Mises 应 力，如图 6.26 所示。 Pro/ENGINEER 分析 21 图 6.26 6.2 梁算例 1.A、B、D 三处为铰接，AC 梁和 DB 梁均采用 16#工字梁，在 C 处施加 8000N 集中力，如图 6.27 所示 图 6.27 2.设置 Pro/E 的工作路径为盘符:tmepexample2，打开 beam.asm，如图 6.28 所示。 Pro/ENGINEER 分析 22 图 6.28 3.建立 AC 梁，点选 Edge/Curve 为参照，定义材料为 Steel，定义 16#工字钢 截面形状如图 6.29 所示。 图 6.29 4.建立 DB 梁，以 point_point 方